CN115342597A - 一种lng冷能用于空气分离与海水淡化系统及其综合利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统及其综合利用方法，包括空气分离系统和海水冷冻淡化系统；将LNG冷能先后交换给空气分离系统和海水冷冻淡化系统，海水冷冻淡化系统的低温浓海水将冷能返回给空气分离系统的空气预冷却装置。LNG管路依次与空气分离系统的循环氮气冷却/冷凝器连接，再与海水冷冻淡化系统的LNG/冷媒换热器连接，最后进入LNG加热器；海水冷冻淡化系统冰水分离器的浓海水出口管线与空气分离系统的空气/浓海水换热器连接。本发明将空气分离和海水淡化系统相结合，工艺设备简单，实现LNG冷能的梯级利用，获得较高的能量利用效率，减少LNG的汽化费用，对节约能源、提高能源利用效率具有重要意义。

Description

一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统及其综合利用 方法
技术领域
本发明涉及LNG冷能利用技术领域，利用LNG冷能液化分离空气和海水冷冻淡化的冷能梯级利用方法。具体的说是一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统及其综合利用方法。
背景技术
随着经济的发展，世界各国能源需求逐渐扩大，能源结构不断发生变化。天然气作为一种高效、清洁和环境友好型能源，在能源结构中占据越来越重要的位置，且广泛应用于各个领域。液化天然气(LNG)作为天然气一种重要的储运方式，其全球贸易量也在不断攀升。赶上这趟LNG需求快速增长的高速列车，把握好LNG自身低温特性，充分利用LNG冷能，能够带来巨大的经济效益和更高的节能减排价值，为实现碳达峰、碳中和目标贡献价值。
LNG是常温下天然气经过脱酸、脱水处理后液化形成的一种无色、无毒的液体，常压下约为-162℃。天然气液化后的体积约为原来体积的1/600，可增加储存灵活性，提高运输效率，广泛应用于长距离大规模运输。LNG在使用前需将其汽化，由于LNG与环境之间温差较大，在汽化过程中将会释放大量的冷能，其值约为830-860kJ/kg。传统LNG汽化过程是使用海水或空气将LNG直接汽化，造成LNG冷能巨大浪费，同时使附近海域环境受到严重污染。
LNG冷能利用一般分为直接利用和间接利用两种方式。其中，直接利用主要集中于低温发电、空气分离、干冰制造、轻烃分离、超低温冷冻、海水淡化、汽车空调和低温养殖、栽培等方面，间接利用主要是通过LNG冷能分离空气，生产液氮或液氧，再利用液氮、液氧分别进行低温粉碎、低温生物工程、污水处理等工艺。
在LNG气化过程中，各种冷量利用方式所能回收到的总冷量一定，但不同的回收温度下所得到的有用功却不同，即对LNG中所含的冷量
Figure BDA0003725493350000011
的利用效率不同。LNG冷能用于空气分离装置时，由于工艺温度(90～100K)比LNG温度(111K)还要低，与用于冷藏冷冻(253K)、低温发电(233K)、制取干冰(193K)、低温粉碎(133K)等场合相比，利用的是LNG深冷部分的冷量，LNG的冷量
Figure BDA0003725493350000012
得到最大程度的利用，可获得较高的能量利用效率，是目前技术上最为合理的方式。
随着全球经济的高速发展以及人口的快速增长,世界各国对水的需求也日益增加,淡水资源缺乏已成为全球性的问题。目前海水淡化技术已成为世界上大部分国家和地区应对淡水资源缺乏的重要手段。冷冻法海水淡化技术工艺简单，是一种可靠的淡化技术，其基本原理是通过一系列的过程将高盐度的海水冷冻，冰晶排盐转变为可以直接使用的淡水或可饮用水。冷冻法具有工艺能耗低，基本不存在腐蚀、结垢，工艺运行简单等优势，利用LNG较高温度区间的冷量为冷冻法海水淡化提供了低成本的冷源。
目前世界上的LNG冷能利用项目大都是单一用户，极少有多用户集成的项目。在现有的利用技术中，除空气分离利用的温位在-162～-70℃外，其他用户用冷温位大都与LNG气化的冷能温度分布不匹配,即“低温冷能高温用”,过程
Figure BDA0003725493350000021
损失大，经济效益较低。
将空气分离和海水淡化系统相结合，LNG气化与空分装置中的氮气压缩循环回路耦合，将最低温度区间的LNG冷量传递给循环氮气，使其液化，大幅度节省循环氮气压缩机的功率，同时将较高温度区间的LNG冷量用于海水冷冻淡化，这种冷能利用方式不但大大降低了生产液态空气产品的能耗，同时制备出可以供工业园区直接使用的淡水，可较高效率地利用LNG冷能，而且降低了LNG气化的成本，具有一定的经济性。
现有技术中，利用LNG冷能的空气分离方案有：公开号为CN101532768A的中国专利公开了一种高效利用LNG冷能的空分系统。以压力氮气作为封闭循环介质，设有LNG-氮换热器和氮-氮换热器两组换热器，液化天然气在LNG-氮换热器中将冷量传递给循环氮，循环氮在氮－氮换热器中将冷量传递给空分精馏塔的压力氮，空分不与循环介质直接接触，避免天然气进入空分装置而带来的危险。公开号为CN110701870A的中国专利也公开了一种利用LNG冷能的空分装置，包括对原料空气进行压缩和净化的空气压缩净化系统、对压缩净化后的原料空气进行精馏而获取空分产品的大冷箱系统、用于实现LNG与为大冷箱系统提供冷能的氮之间换热的小冷箱系统、利用出小冷箱系统的天然气冷能的制冷剂循环系统、利用出制冷剂循环系统的天然气冷能的冷却剂循环系统。
现有技术中，利用LNG冷能的海水淡化方案有：专利文献CN101624224A、CN101628740A、CN101628741A介绍了利用液化天然气冷量的有相变、无相变间接冷冻以及直接接触冷冻海水淡化方法。方案有系统对材料的腐蚀较轻，不存在结垢问题的优点。但也存在如系统体积较大，需要较大换热器面积，换热效率比较低等不足。专利文献CN104891593A、CN106882890A、CN107140772A同样介绍了基于LNG冷能的海水淡化装置及后续处理方法，采用间接换热制冰的方法，采用了多种洗涤分离方法，以便提高脱盐率，但工艺相对复杂，在工业上难以连续运行。
以上研究均是将LNG的冷能全部单独运用在空气分离或海水淡化方案中，没有考虑不同温位冷能的利用，只是简单的回收了部分冷能，造成了大量冷能的浪费。针对不同温位LNG冷能，需要综合采取不同的回收方法进行LNG冷能梯级利用。
经检索，目前还没有利用LNG冷能将液化分离空气和海水冷冻淡化两系统相结合的方案，但有专利采用其它方案对LNG冷能进行梯级利用，如专利CN107777747A、CN108715469A和CN108658154A是将LNG冷能发电与海水淡化系统相结合，整个系统较为复杂；专利CN107940897A介绍了LNG冷能的三级利用方案，采用冷能液化分离空气后，再进行油田伴生气凝液回收或制取液化CO2及干冰或低温粉碎废旧橡胶，最后进行仓库制冷或海水淡化，但仅仅计算了不同方案组合后的冷能利用效率，无实际的装置工艺流程，且三级利用方案相对复杂，可实施性较差。
开展冷能利用应充分结合LNG接收站实际运行情况及周边配套和市场需求情况，每项冷能利用项目都有对上游LNG供应和下游市场的个性化要求，因此不能简单的根据最大冷能利用量就评定梯级利用方案的优劣，但很明显的是梯级利用方案的最大冷能利用量均大幅高于单个冷能利用项目。将空气分离与海水淡化系统相结合，系统相对简单，投资少，LNG冷能利用率比单独空气分离或单独海水淡化大幅提高，且较易实现工业化应用。
因此，研发将LNG冷能不同温度段的冷能分别用于空气分离与海水淡化系统及其综合利用方法是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，进而提供一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统及其综合利用方法。
本发明是通过将空气分离和海水淡化系统相结合，实现了LNG冷能的梯级利用，工艺设备相对简单，可获得较高的能量利用效率，减少LNG的汽化费用，可实现连续、规模化生产，具有极强的工业推广价值。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统，综合利用系统包括空气分离系统和海水冷冻淡化系统；将LNG冷能先后交换给空气分离系统和海水冷冻淡化系统，海水冷冻淡化系统的低温浓海水将冷能返回给空气分离系统的空气预冷却装置。
所述的LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统，LNG管路依次与空气分离系统的循环氮气冷却/冷凝器连接，再与海水冷冻淡化系统的LNG/冷媒换热器连接，最后进入LNG加热器；海水冷冻淡化系统冰水分离器的浓海水出口管线与空气分离系统的空气/浓海水换热器连接。
所述的LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统，所述的循环氮气冷却/冷凝器采用多股流绕管换热器，将LNG气化与空分装置中的氮气压缩循环回路耦合。
本发明还提供了一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统的综合利用方法，采用空气分离系统和海水冷冻淡化系统，包括如下过程：
1)原料空气进入空气压缩机，压缩后的空气进入空气/浓海水换热器中被冷却；随后进入空气净化器，通过其中的分子筛吸附除去灰尘、二氧化碳、水分等杂质，以防冻堵；在空气低温换热器中，气态空气被低温循环气态氮气和低纯度废弃氮气冷却后，进入分馏下塔。
2)在分馏下塔顶部分离产出液氮产品，在下塔底部分出液体富氧空气；液体富氧空气借助压差被送入分馏上塔中部作为上塔进料，在分馏上塔底部分离出液氧产品，上塔顶部分离出污氮；污氮冷量经过与上塔进料进行换热，进行冷量回收，然后依次进入循环液氮过冷器和空气低温换热器，为原料空气预冷提供大部分冷量；下塔精馏所需的冷量大部分由冷凝蒸发器提供，不足部分由循环氮气提供；上塔塔顶回馏所需的冷量全部由循环氮气回路提供；
3)在分馏上塔中部抽出一股富含氩组分的气体馏份送入氩提纯塔底部，氩塔塔顶冷凝器由上塔富氧空气进料提供冷源，经过提馏，在氩塔顶部获得液氩产品；
4)循环氮气采用三段压缩:段间冷却和最后氮气的冷凝所需的冷量均在循环氮气冷却/冷凝器中来自LNG；液化后氮气通过氮节流阀节流蒸发，将冷量传给空分氮气系统，为分馏上塔和分馏下塔补充冷量；蒸发后的低温氮气与节流前的液氮在循环液氮过冷器中进行换热，使液氮过冷，然后再与原料空气换热进一步回收冷量，最后进入循环氮气压缩机进行循环压缩；
5)海水淡化过程：海水淡化冷媒在LNG/冷媒换热器中吸收了LNG的冷能后，使自身温度降低，随后在结晶器中与预冷过的海水混合，此时海水放热结冰，变成冰盐水，海水淡化冷媒吸热后，海水与冷媒自动分层，在结晶器底部引出进入冷媒储罐；冰盐水则经过冰水分离器被分离成冰晶和浓盐水，冰晶被冰浆泵送入冰晶洗涤塔洗涤，冰晶最后再进入融冰器吸热融化，最终变成淡水。
所述的LNG/冷媒换热器为中间介质式汽化器，汽化器内设置LNG通道和冷媒通道，冷媒通道的出口连接于结晶器顶端，冷媒泵将冷媒储箱中冷媒送入冷媒通道的入口；冷媒泵具有变频调速功能，根据结晶器海水进出口温差调整冷媒流量。
所述的空气分离系统中循环氮气压缩机采用三段压缩，段间冷却和最后氮气的冷凝所需的冷量均来自LNG。
所述的空气分离系统中冷凝蒸发器即是分馏下塔的冷凝器又是分馏上塔的蒸发器，下塔精馏所需的冷量大部分由蒸发冷凝器提供，不足部分由循环氮气提供；上塔塔顶回馏所需的冷量全部由循环氮气回路提供。
所述的海水冷冻淡化系统中结晶器为冷媒与海水直接接触式结晶器。
所述的海水冷冻淡化系统中冰晶洗涤塔为逆式对流洗涤塔，洗涤水对冰晶进行洗涤净化，去除大部分在冰晶表面粘附和内部夹带的盐分，洗涤水管路设有流量调节阀，用以分配调整洗涤水用量。
具体说明如下：
一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统，包括空气分离系统和海水冷冻淡化系统两部分，其中所述空气分离系统包括：空气压缩机、空气/浓海水换热器、空气净化器、空气低温换热器、三级循环氮气压缩机、循环氮气冷却/冷凝器、循环液氮过冷器、分馏上塔、冷凝蒸发器、分馏下塔、循环氮气/液氮换热器、氮节流阀、液空节流阀、上塔物料/污氮换热器、氩提纯塔、氩塔冷凝器、氩塔分馏罐、液氮储罐、液氧储罐、液氩储罐。所述空气压缩机通过管道连接所述空气/浓海水换热器管程进口；所述空气/浓海水换热器管程出口通过管道连接所述空气净化器，空气/浓海水换热器壳程进口通过管道与海水冷冻淡化系统中冰水分离器连接，壳程出口连接浓海水排放管道；所述空气净化器通过管道与所述空气低温换热器一进口连接；所述空气低温换热器一出口通过管道连接分馏下塔底部，另一出口通过管道连接循环氮气冷却/冷凝器，再一出口连接污氮排放管路，另两进口通过管道分别与循环液氮过冷器两出口连接；所述循环氮气冷却/冷凝器一进口与LNG管路连接，另三进口分别与三个循环氮气压缩机出口通过管路连接，循环氮气冷却/冷凝器一出口通过管路与海水冷冻淡化系统中LNG/冷媒换热器连接，一出口通过管路与循环液氮过冷器进口连接，另三出口分别与三个循环氮气压缩机进口通过管路连接；所述循环液氮过冷器一出口依次与氮节流阀、循环氮气/液氮换热器通过管路连接，一进口也与循环氮气/液氮换热器管程出口通过管路连接，另一进口通过管路连接上塔物料/污氮换热器进口；所述分馏上塔与分馏下塔叠加，中部通过所述冷凝蒸发器进行热耦合；分馏上塔顶部通过管道连接上塔物料/污氮换热器，分馏上塔中部通过管道连接氩提纯塔下部，分馏上塔底部通过管道连接液氧储罐，分馏下塔顶部通过管道连接循环氮气/液氮换热器，分馏下塔底部通过管道连接上塔物料/污氮换热器，所述循环氮气/液氮换热器一出口通过管路分为三路，一路与分馏下塔上部一入口连接，一路与分馏上塔上部一入口连接，一路与液氮储罐连接，所述上塔物料/污氮换热器一出口依次与液空节流阀、分馏上塔上部入口通过管路连接；所述氩提纯塔底部通过管路连接分馏上塔中部，氩提纯塔顶部依次通过管路与氩塔冷凝器、氩塔分馏罐连接；所述氩塔分馏罐一出口与氩提纯塔上部通过管路连接，一出口通过管路连接于液氩储罐。
其中所述海水冷冻淡化系统包括：LNG/冷媒换热器、LNG加热器、结晶器、冷媒储箱、冷媒泵、冰水分离器、冰浆泵、冰晶洗涤塔、融冰器、淡水水箱、淡水洗涤外输泵。所述LNG/冷媒换热器一出口通过管路依次与LNG加热器、NG外输管路连接，一出口通过管路与结晶器顶部入口连接，一入口通过管路依次与冷媒泵、冷媒储箱、结晶器下部出口连接；所述结晶器中上部通过管路与冰水分离器入口连接，所述冰水分离器一出口依次与冰浆泵、冰晶洗涤塔底部通过管路连接，另一出口与空气分离系统中空气/浓海水换热器连接；所述冰晶洗涤塔上部出口与融冰器壳程入口通过管路连接，所述融冰器壳程出口依次与淡水水箱、淡水洗涤外输泵通过管路连接，淡水洗涤外输泵出口管路分为两路，一路与淡水外输管路连接，一路与冰晶洗涤塔顶部连接；所述融冰器管程入口与海水输入管路连接，管程出口通过管路与冰晶洗涤塔下部出口管路汇合后与结晶器底部入口连接。
进一步，所述的空气分离系统中冷凝蒸发器即是分馏下塔的冷凝器又是分馏上塔的蒸发器，下塔精馏所需的冷量大部分由蒸发冷凝器提供，不足部分由循环氮气提供；上塔塔顶回馏所需的冷量全部由循环氮气回路提供。
进一步，所述的循环氮气冷却/冷凝器采用多股流绕管换热器，将LNG气化与空分装置中的氮气压缩循环回路耦合。
进一步，所述的循环氮气压缩机采用三段压缩，段间冷却和最后氮气的冷凝所需的冷量均来自LNG。
进一步，所述的LNG/冷媒换热器为中间介质式汽化器，汽化器内设置LNG通道和冷媒通道，冷媒通道的出口连接于结晶器顶端，冷媒泵将冷媒储箱中冷媒送入冷媒通道的入口。冷媒泵具有变频调速功能，可根据结晶器海水进出口温差调整冷媒流量。
进一步，所述的结晶器为冷媒与海水直接接触式结晶器。
进一步，所述的冰水分离器为滚筒式冰水分离器，在离心与重力的共同作用下，海水与冰晶实现分离，将分离出的低温浓海水作为空气分离系统空气预冷却的冷源。
进一步，所述的冰晶洗涤塔为逆式对流洗涤塔，洗涤水对冰晶进行洗涤净化，去除大部分在冰晶表面粘附和内部夹带的盐分，洗涤水管路设有流量调节阀，用以分配调整洗涤水用量。
所述LNG冷能用于空气分离与海水淡化综合利用方法的步骤具体为：
a)原料空气进入空气压缩机，压缩后的空气进入空气/浓海水换热器中被冷却。随后进入空气净化器，通过其中的分子筛吸附除去灰尘、二氧化碳、水分等杂质，以防冻堵。在空气低温换热器中，气态空气被低温循环气态氮气和低纯度废弃氮气冷却后，进入分馏下塔。
b)在分馏下塔顶部分离产出液氮产品，在下塔底部分出液体富氧空气；液体富氧空气借助压差被送入分馏上塔中部作为上塔进料，在分馏上塔底部分离出液氧产品，上塔顶部分离出污氮；污氮冷量经过与上塔进料进行换热，进行冷量回收，然后依次进入循环液氮过冷器和空气低温换热器，为原料空气预冷提供大部分冷量。下塔精馏所需的冷量大部分由冷凝蒸发器提供，不足部分由循环氮气提供；上塔塔顶回馏所需的冷量全部由循环氮气回路提供。
c)在分馏上塔中部抽出一股富含氩组分的气体馏份送入氩提纯塔底部，氩塔塔顶冷凝器由上塔富氧空气进料提供冷源，经过提馏，在氩塔顶部获得液氩产品。
d)循环氮气采用三段压缩。段间冷却和最后氮气的冷凝所需的冷量均在循环氮气冷却/冷凝器中来自LNG；液化后氮气通过氮节流阀节流蒸发，将冷量传给空分氮气系统，为分馏上塔和分馏下塔补充冷量。蒸发后的低温氮气与节流前的液氮在循环液氮过冷器中进行换热，使液氮过冷，然后再与原料空气换热进一步回收冷量，最后进入循环氮气冷却/冷凝器冷却后，经三个循环氮气压缩机进行循环压缩。
e)海水淡化过程：海水淡化冷媒在LNG/冷媒换热器中吸收了LNG的冷能后，使自身温度降低，随后在结晶器中与预冷过的海水混合，此时海水放热结冰，变成冰盐水，海水淡化冷媒吸热后，海水与冷媒自动分层，在结晶器底部引出进入冷媒储罐；冰盐水则经过冰水分离器被分离成冰晶和浓盐水，冰晶被冰浆泵送入冰晶洗涤塔洗涤，冰晶最后再进入融冰器吸热融化，最终变成淡水。
LNG冷能在空气分离系统中最佳利用的温度范围为-160℃至-90℃，若扩大冷能利用温度范围，则能耗(循环氮气压缩机功率)显著上升，换热设备(循环氮气与LNG之间)传热面积显著增大。使用后-90℃的LNG，-90℃至-20℃温度范围的冷能用于海水淡化系统，最后-20℃的LNG在LNG加热器中进一步升温到0℃以上，进入LNG外输管路。
本发明的优点在于：
1)本发明LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统，将LNG气化与空分装置中的氮气压缩循环回路耦合，借助绕管换热器将高品位的LNG冷量传递给循环氮气，使其液化，大幅度节省循环氮气压缩机的功率。冷能空分使用后剩余的LNG冷量可大部分应用于海水淡化，冰晶融化过程产生的冷量给海水预冷，产生的低温浓海水用于冷能空分系统中空气冷却，从而冷能得到充分利用。
2)本发明冷能空分流程中氮气循环系统成独立闭环，不与空分中氮气系统相通，避免LNG泄露进空分系统，引起安全事故。
3)本发明LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统的综合利用方法，按能量梯级利用的原理，LNG冷能中高品位部分用于空气分离，低品位部分用于海水淡化，实现了LNG冷能的高效梯级利用。
4)本发明工艺设备相对简单，可实现连续、规模化生产，具有极强的工业应用价值。
本发明涉及一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统及其综合利用方法，包括空气分离系统和海水冷冻淡化系统。空气分离系统包括三个循环氮气压缩机、循环氮气冷却/冷凝器、空气压缩净化系统、空气低温换热器、循环液氮过冷器、分馏塔和氩提纯塔等；海水冷冻淡化系统包括LNG/冷媒热换器、LNG加热器、结晶器、冰水分离器、冰晶洗涤塔和融冰器等；还涉及上述系统的综合利用方法。本发明的优点在于：本发明将空气分离和海水淡化系统相结合，工艺设备相对简单，实现了LNG冷能的梯级利用，可获得较高的能量利用效率，减少LNG的汽化费用，对节约能源、提高能源利用效率具有重要意义。
附图说明
图1为本发明利用LNG冷能的空气分离和海水冷冻淡化系统示意图。
图中：1.空气压缩机；2.空气/浓海水换热器；3.空气净化器；4.空气低温换热器；5.一级循环氮气压缩机；6.二级循环氮气压缩机；7.三级循环氮气压缩机；8.循环氮气冷却/冷凝器；9.循环液氮过冷器；10.分馏上塔；11.冷凝蒸发器；12.分馏下塔；13.循环氮气/液氮换热器；14.氮节流阀；15.液空节流阀；16.上塔物料/污氮换热器；17.氩提纯塔；18.氩塔冷凝器；19.氩塔分馏罐；20.液氮储罐；21.液氧储罐；22.液氩储罐；23.LNG/冷媒换热器；24.LNG加热器；25.结晶器；26.冷媒储箱；27.冷媒泵；28.冰水分离器；29.冰浆泵；30.冰晶洗涤塔；31.融冰器；32.淡水水箱；33.淡水洗涤外输泵
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。
如图1所示，一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统统，包括：空气分离系统和海水冷冻淡化系统两部分。
其中空气分离系统包括：空气压缩机1、空气/浓海水换热器2、空气净化器3、空气低温换热器4、一级循环氮气压缩机5、二级循环氮气压缩机6、三级循环氮气压缩机7、循环氮气冷却/冷凝器8、循环液氮过冷器9、分馏上塔10、冷凝蒸发器11、分馏下塔12、循环氮气/液氮换热器13、氮节流阀14、液空节流阀15、上塔物料/污氮换热器16、氩提纯塔17、氩塔冷凝器18、氩塔分馏罐19、液氮储罐20、液氧储罐21、液氩储罐22。
空气压缩机1通过管道连接空气/浓海水换热器2管程进口，空气/浓海水换热器2管程出口通过管道连接空气净化器3，空气/浓海水换热器2壳程进口通过管道与海水冷冻淡化系统中冰水分离器28连接，壳程出口连接浓海水排放管道；空气净化器3通过管道与空气低温换热器4一进口连接；空气低温换热器4一出口通过管道连接分馏下塔12底部，另一出口通过管道连接循环氮气冷却/冷凝器8，再一出口连接污氮排放管路，另两进口通过管道分别与循环液氮过冷器9两出口连接；循环氮气冷却/冷凝器8一进口与LNG管路连接，另三进口分别与一级循环氮气压缩机5、二级循环氮气压缩机6、三级循环氮气压缩机7出口通过管路连接，循环氮气冷却/冷凝器8一出口通过管路与海水冷冻淡化系统中LNG/冷媒换热器23连接，一出口通过管路与循环液氮过冷器9进口连接，另三出口分别与一级循环氮气压缩机5、二级循环氮气压缩机6、三级循环氮气压缩机7进口通过管路连接；循环液氮过冷器9一出口依次与氮节流阀14、循环氮气/液氮换热器13通过管路连接，一进口也与循环氮气/液氮换热器13管程出口通过管路连接，另一进口通过管路连接上塔物料/污氮换热器16进口；分馏上塔10与分馏下塔12叠加，中部通过冷凝蒸发器11进行热耦合；分馏上塔10顶部通过管道连接上塔物料/污氮换热器16，分馏上塔10中部通过管道连接氩提纯塔17下部，分馏上塔10底部通过管道连接液氧储罐21，分馏下塔12顶部通过管道连接循环氮气/液氮换热器13，分馏下塔12底部通过管道连接上塔物料/污氮换热器16，循环氮气/液氮换热器13一出口通过管路分为三路，一路与分馏下塔12上部一入口连接，一路与分馏上塔10上部一入口连接，一路与液氮储罐20连接，上塔物料/污氮换热器16一出口依次与液空节流阀15、分馏上塔10上部入口通过管路连接；氩提纯塔17底部通过管路连接分馏上塔10中部，氩提纯塔17顶部依次通过管路与氩塔冷凝器18、氩塔分馏罐19连接；氩塔分馏罐19一出口与氩提纯塔17上部通过管路连接，一出口通过管路连接于液氩储罐22。
其中海水冷冻淡化系统包括：LNG/冷媒换热器23、LNG加热器24、结晶器25、冷媒储箱26、冷媒泵27、冰水分离器28、冰浆泵29、冰晶洗涤塔30、融冰器31、淡水水箱32、淡水洗涤外输泵33。
LNG/冷媒换热器23一出口通过管路依次与LNG加热器24、NG外输管路连接，一出口通过管路与结晶器25顶部入口连接，一入口通过管路依次与冷媒泵27、冷媒储箱26、结晶器25下部出口连接；结晶器25中上部通过管路与冰水分离器28入口连接，冰水分离器28一出口依次与冰浆泵29、冰晶洗涤塔30底部通过管路连接，另一出口与空气分离系统中空气/浓海水换热器2连接；冰晶洗涤塔30上部出口与融冰器31壳程入口通过管路连接，融冰器31壳程出口依次与淡水水箱32、淡水洗涤外输泵33通过管路连接，淡水洗涤外输泵出口管路分为两路，一路与淡水外输管路连接，一路与冰晶洗涤塔30顶部连接；融冰器31管程入口与海水输入管路连接，管程出口通过管路与冰晶洗涤塔30下部出口管路汇合后与结晶器底部入口连接。
采用上述LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统的综合利用方法，具体包括：
a)原料空气进入空气压缩机1，压缩后的空气进入空气/浓海水换热器2中被冷却。随后进入空气净化器3，通过其中的分子筛吸附除去灰尘、二氧化碳、水分等杂质，以防冻堵。在空气低温换热器4中，气态空气被低温循环气态氮气和低纯度废弃氮气冷却后，进入分馏下塔12。
b)循环氮气采用三段压缩，液化后氮气通过氮节流阀14节流蒸发，降温降压后，将冷量传给空分氮气系统，为分馏上塔10和分馏下塔12补充冷量。蒸发后的低温氮气与节流前的液氮在循环液氮过冷器9中进行换热，使液氮过冷，然后再与原料空气换热进一步回收冷量，最后进入循环氮气冷却/冷凝器8冷却后，经三个循环氮气压缩机进行循环压缩。
c)分馏下塔12内空气与从塔顶流下的液氮在多层塔板上反复冷凝和蒸发，含有较多液氧成分的液态富氧空气集于下塔底部，氮气集于下塔顶部，并与分馏上塔10底部液氧交换热量后被冷凝成液体，在分馏下塔12顶部液氮收集器收集的液氮被引出，在循环氮气/液氮换热器13中进一步降温后，一部分进入上塔10顶部作为上塔顶部的回流液，一部分返回下塔12顶部作为下塔顶部的回流液，另一部分流到液氮储罐20储存。产品液氧从上塔底部的液氧槽引到液氧储罐21储存。分馏下塔12塔釜的液体富氧空气借助压差在上塔物料/污氮换热器16中过冷，再经过液空节流阀15降压后在适当位置引入上塔。上塔顶部分离出污氮，污氮冷量经过与上塔进料进行换热，进行冷量回收，然后依次进入循环液氮过冷器9和空气低温换热器4，为原料空气预冷提供大部分冷量后直接排出。
d)在分馏上塔10中部抽出一股富含氩组分的气体馏份送入氩提纯塔17底部，氩提纯塔17塔顶冷凝器由上塔富氧空气进料提供冷源，经过提馏，在氩塔顶部获得液氩产品。
e)海水淡化过程：海水淡化冷媒在LNG/冷媒换热器23中吸收了LNG的冷能后，使自身温度降低，随后在结晶器25中与预冷过的海水混合，此时海水放热结冰，变成冰盐水，海水淡化冷媒吸热后，海水与冷媒自动分层，在结晶器25底部引出进入冷媒储罐；冰盐水则经过冰水分离器28被分离成冰晶和浓盐水，冰晶被冰浆泵29送入冰晶洗涤塔30洗涤，冰晶最后再进入融冰器31吸热融化，最终变成淡水。
实施例：
1)流量为140t/h的原料空气经压缩后，压力达到0.6MPa，进入空气/浓海水换热器中被冷却至5℃。若采用常规循环水将原料空气冷却至40℃，则空压机轴功率9700kW；采用海水淡化系统产生的低温浓海水冷却原料空气，温度冷却至5℃，则空压机轴功率降低约7.8％至9000kW，从而节省部分电能。原料空气随后进入空气净化器，在空气低温换热器中，气态空气被低温循环气态氮气和低纯度废弃氮气冷却至约-170℃后，进入分馏下塔。
2)流量为200t/h的LNG进入循环氮气冷却/冷凝器，温度从-160℃升温到-90℃后进入海水淡化系统。在循环氮气冷却/冷凝器中，循环氮气采用三段压缩，氮气循环各段压缩比1.80/5.6atm、5.50/17.0atm、17.2/55.0atm，各段段间均冷却到-138℃。液化后氮气通过氮节流阀节流蒸发，降温降压至-177℃、0.6MPa左右后，将冷量传给空分氮气系统，为分馏上塔和分馏下塔补充冷量。蒸发后的低温氮气与节流前的液氮在循环液氮过冷器中进行换热，使液氮过冷，然后再与原料空气换热进一步回收冷量，最后返回循环氮气冷却/冷凝器冷却后，经三个循环氮气压缩机进行循环压缩。
3)在分馏下塔内经反复冷凝和蒸发，顶部液氮收集器收集的液氮被引出，产量为23t/h，纯度大于99.9％；含有较多液氧成分的液态富氧空气集于下塔底部，借助压差在上塔物料/污氮换热器中过冷，再经过液空节流阀降压后在适当位置引入上塔。产品液氧从上塔底部的液氧槽引出，产量33t/h，纯度大于99.6％。上塔顶部分离出污氮，污氮冷量经过与上塔进料进行换热，进行冷量回收，为原料空气预冷提供大部分冷量后直接排出。
4)在分馏上塔中部抽出一股富含氩组分的气体馏份送入氩提纯塔底部，经过提馏，在氩塔顶部获得液氩产品，产量1.2t/h，纯度大于99.5％。
5)从空气分离系统出来的LNG进入LNG/冷媒换热器，温度从-90℃升温到-20℃后进入LNG加热器，进一步升温到0℃以上，进入LNG外输管路。海水淡化冷媒吸收了LNG的冷能后，使自身温度降低到-7℃，冷媒流量为290t/h，随后在结晶器中与预冷过的海水混合，海水流量为500t/h，此时海水放热结冰，变成冰盐水，海水淡化冷媒吸热后，海水与冷媒自动分层，在结晶器底部引出进入冷媒储罐；冰盐水则经过冰水分离器被分离成冰晶和浓盐水，制冰产量为146t/h，冰晶被冰浆泵送入冰晶洗涤塔洗涤，洗涤水流量为14t/h，冰晶最后再进入融冰器吸热融化，最终变成淡水，产水量105t/h，产水TDS≤300mg/L。
6)LNG冷能经空气分离系统和海水淡化系统综合利用，冷能利用率达到80％以上。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统，其特征在于，综合利用系统包括空气分离系统和海水冷冻淡化系统；将LNG冷能先后交换给空气分离系统和海水冷冻淡化系统，海水冷冻淡化系统的低温浓海水将冷能返回给空气分离系统的空气预冷却装置。
2.如权利要求1所述的LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统，其特征在于，LNG管路依次与空气分离系统的循环氮气冷却/冷凝器连接，再与海水冷冻淡化系统的LNG/冷媒换热器连接，最后进入LNG加热器；海水冷冻淡化系统冰水分离器的浓海水出口管线与空气分离系统的空气/浓海水换热器连接。
3.如权利要求2所述的LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统，其特征是，所述的循环氮气冷却/冷凝器采用多股流绕管换热器，将LNG气化与空分装置中的氮气压缩循环回路耦合。
4.LNG冷能用于空气分离与海水淡化系统的综合利用方法，其特征是，采用空气分离系统和海水冷冻淡化系统，包括如下过程：
1)原料空气进入空气压缩机，压缩后的空气进入空气/浓海水换热器中被冷却；随后进入空气净化器，通过其中的分子筛吸附除去灰尘、二氧化碳、水分等杂质，以防冻堵；在空气低温换热器中，气态空气被低温循环气态氮气和低纯度废弃氮气冷却后，进入分馏下塔；
2)在分馏下塔顶部分离产出液氮产品，在下塔底部分出液体富氧空气；液体富氧空气借助压差被送入分馏上塔中部作为上塔进料，在分馏上塔底部分离出液氧产品，上塔顶部分离出污氮；污氮冷量经过与上塔进料进行换热，进行冷量回收，然后依次进入循环液氮过冷器和空气低温换热器，为原料空气预冷提供大部分冷量；下塔精馏所需的冷量大部分由冷凝蒸发器提供，不足部分由循环氮气提供；上塔塔顶回馏所需的冷量全部由循环氮气回路提供；
3)在分馏上塔中部抽出一股富含氩组分的气体馏份送入氩提纯塔底部，氩塔塔顶冷凝器由上塔富氧空气进料提供冷源，经过提馏，在氩塔顶部获得液氩产品；
4)循环氮气采用三段压缩:段间冷却和最后氮气的冷凝所需的冷量均在循环氮气冷却/冷凝器中来自LNG；液化后氮气通过氮节流阀节流蒸发，将冷量传给空分氮气系统，为分馏上塔和分馏下塔补充冷量；蒸发后的低温氮气与节流前的液氮在循环液氮过冷器中进行换热，使液氮过冷，然后再与原料空气换热进一步回收冷量，最后进入循环氮气压缩机进行循环压缩；
5)海水淡化过程：海水淡化冷媒在LNG/冷媒换热器中吸收了LNG的冷能后，使自身温度降低，随后在结晶器中与预冷过的海水混合，此时海水放热结冰，变成冰盐水，海水淡化冷媒吸热后，海水与冷媒自动分层，在结晶器底部引出进入冷媒储罐；冰盐水则经过冰水分离器被分离成冰晶和浓盐水，冰晶被冰浆泵送入冰晶洗涤塔洗涤，冰晶最后再进入融冰器吸热融化，最终变成淡水。
5.如权利要求4所述的综合利用方法，其特征是，所述的LNG/冷媒换热器为中间介质式汽化器，汽化器内设置LNG通道和冷媒通道，冷媒通道的出口连接于结晶器顶端，冷媒泵将冷媒储箱中冷媒送入冷媒通道的入口；冷媒泵具有变频调速功能，根据结晶器海水进出口温差调整冷媒流量。
6.如权利要求4所述的综合利用方法，其特征是，所述的空气分离系统中循环氮气压缩机采用三段压缩，段间冷却和最后氮气的冷凝所需的冷量均来自LNG。
7.如权利要求4所述的综合利用方法，其特征是，所述的空气分离系统中冷凝蒸发器即是分馏下塔的冷凝器又是分馏上塔的蒸发器，下塔精馏所需的冷量大部分由蒸发冷凝器提供，不足部分由循环氮气提供；上塔塔顶回馏所需的冷量全部由循环氮气回路提供。
8.如权利要求4所述的综合利用方法，其特征在于，所述的海水冷冻淡化系统中结晶器为冷媒与海水直接接触式结晶器。
9.如权利要求4所述的综合利用方法，其特征是，所述的海水冷冻淡化系统中冰晶洗涤塔为逆式对流洗涤塔，洗涤水对冰晶进行洗涤净化，去除大部分在冰晶表面粘附和内部夹带的盐分，洗涤水管路设有流量调节阀，用以分配调整洗涤水用量。
10.如权利要求4所述的综合利用方法，其特征是，LNG冷能在空气分离系统中利用的温度范围为-160℃至-90℃；-90℃至-20℃温度范围的冷能用于海水淡化系统；-20℃的LNG在LNG加热器中进一步升温到0℃以上，进入LNG外输管路。
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